人体肠道微生物多样性和功能研究进展

万方数据
生态学报
２９卷
体自身基因组和微生物组结合体的角度来进行研究。 在动物消化道微生物群落的研究中，反刍动物和白蚁是最常见的研究模型。反刍动物和白蚁动物以植物 性食物为主，肠道内的厌氧菌能够降解食物中的长链多聚糖化合物，并将单糖转化成为短链脂肪酸。研究表 明，这些动物的肠道是一个调控精密的生化反应器。在这个共生关系中，宿主获得碳水化合物和能量，而微生 物则得到多聚糖化合物和稳定的厌氧环境［２】。人体小肠是一个与之类似的厌氧反应器，是肠道绝大部分微 生物定植的区域。这些微生物可以降解植物胶质、纤维素、半纤维素和抗消化淀粉等难消化多聚糖化合物。
１６Ｓ
ｒＲＮＡ基因进行测序，全面深入地反映环境微生物群落结构的多样性，使人们对肠道微生物有了新的
认识。 在相当长的生物进化过程中，ｒＲＮＡ分子功能几乎保持恒定，而且有些部位分子排列顺序变化非常小，从 这种排列顺序可以检测出种系发生关系。ｒＲＮＡ结构既具有保守性，又具有高变性。保守性能够反映出生物 物种的亲缘关系，为系统发育重建提供线索；高变性则能揭示出生物物种的特征核酸序列，是种属鉴定的分子 基础。细菌ｒＲＮＡ有３种类型：２３Ｓ
摘要：人体肠道中庞大而复杂的微生物群落对人体自身代谢表型有深远的影响。肠道微生物群落在亚种或菌株水平上表现出 极大的多样性。利用微生物分子生态学、元基因组学和代谢组学研究方法，发现肠道微生物与宿主表现出共进化的特点，肠道 微生物群落及其基因组为宿主提供了互补的遗传和代谢功能，表现出互惠共生关系。但是，肠道微生物群落中影响宿主代谢表 型的关键功能菌鉴定及其作用模式问题仍然悬而未决，综合运用多种高通量研究方法和多维数据分析方法可能成为解决这个 问题的突破口。 关键词：肠道微生物；多样性；１６Ｓ ｒＲＮＡ；元基因组学；代谢组学
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基金项目：国家“十一五”科技攻关奶业重大专项资助项目（２００６ＢＡＤ０４Ａ０３）；动物营养学国家重点实验室自主课题（２００４ＤＡｌ２５１８４（团）０Ｓ０１） 收稿日期：２００９．０１－１４； 修订日期：２００８－０７－２２
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・通讯作者Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ．Ｅ—ｍａｉｌ ｊｑｗａｎ萨ａａｓ＠弘ｌＢｉｌ．ｃｏｒｎ
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Ｗｏｒｄｓ：ｇｕｔ ｍｉｃｒｏｆｌｏｍ；ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ；１６ＳｒＲＮＡ；ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ；ｍｅｔａｂｏｌｏｍｉｃｓ
人体肠道为微生物提供了良好的栖息环境，成人肠道中的微生物达到了１０１２一１０博个，不仅远远超过人体 表皮微生物数量，而且１０倍于人体自身细胞数目…。前人研究通常将肠道微生物群落与人体的关系归纳为 共栖（一个种类受益，而另一个种类不受影响）或互惠共生（两个种类都受益）。但是，“共栖”不能正确地描 述肠道微生物群落个体对于其他个体或人体的有益作用。现在，许多研究者将人体肠道内微生物群落看作是 人体的一个器官，这主要是因为：微生物群落由多种细胞系组成，细胞间或细胞与宿主之间具有信息交流能 力；能够消耗、贮藏和重新分配能量；调控具有代谢重要性的化学转换过程；能够通过自复制来维持和修复自 身；人体肠道微生物群落基因组（微生物组）中包含的基因数目大概是人体自身基因数目的１００倍，具有人体 自身不具备的代谢功能。因此，越来越多的研究者将人视为由人体和相关微生物共同组成的“超生物”，从人
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万方数据
５期
刘开朗等：人体肠道微生物多样性和功能研究进展
２５９１
同的哺乳动物中［４】，表明ＣＦＢ与哺乳动物的共生现象由来已久，而且不同的亚群与宿主表现出共进化的 特点。 与基于１６Ｓ ｒＲＮＡ序列多样性的指纹图谱技术相比，１６Ｓ ｒＲＮＡ全长基因克隆文库技术由于分析序列片段 长、信息量较大，得到了越来越多的运用。２００５年，Ｅｃｋｂｕｒｇ等对３位美国健康个体肠道不同部位菌群结构的 １３，３５５条１６Ｓ ｒＲＮＡ基因进行了测序分析，发现人体肠道菌群主要由未培养微生物组成，是一个远比人们预 料更加复杂的生态系统，而且存在明显的个体差异。每个个体都有自己独特的肠道微生物组，肠道微生物组 的组成和功能通常会随着宿主的基因、饮食及环境等因素的变化而变化。因此，人类的肠道微生物群落被认 为是人类的“第二指纹”一１。 ２肠道微生物功能：元基因组学分析 获取了这些未培养的肠道微生物的基因序列后，研究其基因序列所对应的功能就成了肠道微生态研究的 另一个重要方向，其中主要的技术是以序列分析为基础的元基因组学（ｍｅｔａｇｅｎｏｍｉｃｓ）方法。元基因组指的是 自然环境中全部微生物基因组的总和。１９９８年，Ｊｏ Ｈａｎｄｅｌｓｍａｎ首次提出了元基因组学的概念¨０Ｊ。 长期以来，微生物学工作者们主要依赖于分离培养方法来研究微生物。但是，根据早期的研究结果推断， 超过９９％的环境微生物在目前可提供的培养条件下不能人工培养，随机克隆１６Ｓ ｒＲＮＡ基因序列分析所得到 的系统发育数据也支持这个推断ｕｏｌ。元基因组学的出现改变了微生物学家研究问题的方法。元基因组学研 究的基本研究策略包括：环境基因组大片段ＤＮＡ的提取和纯化、文库构建、目的基因筛选和／或大规模测序分 析（图１）。元基因组文库中既包含了可培养的、又包含了不可培养的微生物基因和基因组，将某个自然环境 中的总ＤＮＡ克隆到可培养的宿主细胞中，从而避开了微生物分离培养的难题。在元基因组学研究中，借助于 大规模序列分析，在基因序列分析的基础上，结合生物信息学工具，能够发现大量过去无法得到的未知微生物 新基因或新基因簇，这对了解微生物区系组成、进化历程和代谢特点，挖掘具有应用潜力的新基因等都具有重 要意义［１１１。近４年来，随着基因组测序成本的降低和基因组学、生物信息学工具的发展，元基因组学呈现出 迅速的发展势头，在微生物分子生态学和微生物资源利用等领域取得了瞩目的成就，被称为“生物学研究中 的革命”［１
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Ｓｉｍｃａ，２００９。２９（５）：篮舳一２５９４．
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ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ，变性梯度凝胶电泳）
技术，分析了宿主基因型、宿主生理和环境因素对肠道微生物组成和功能的影响，发现成人肠道微生物群落结 构相对比较稳定，而且具有亲缘关系、独立生活的个体具有类似的肠道微生物群落，这些结果表明宿主基因型 及其相关因素是影响肠道微生物区系组成的重要因素口Ｊ。 成人胃肠道中的微生物可分为细菌（Ｂａｃｔｅｒｉａ）、古菌（Ａｒｃｈａｅａ）和真核生物（Ｅｕａｒｙａ）３种。与其他生态系 统相比，人体肠道中的细菌细胞密度最高”Ｊ。但是，在“门”分类水平上，人体肠道微生物的多样性水平非常 低怕１；截止到目前为止，在已知的５５个细菌门中，人体肠道微生物仅有其中的８个门。其中最主要的门是 ＣＦＢ（包括噬胞菌属（Ｃｙｔｏｐｈａｇａ）、黄质菌属（Ｆｌａｖｏｂａｃｔｅｒｉｕｍ）和类杆菌属（Ｂａｃｔｅｒｏｉｄｅｓ））和壁厚菌门 （Ｆｉｒｍｉｃｕｔｅｓ），每个门约占人粪便和肠道上皮粘液中细菌数量的３０％。变形杆菌（Ｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ）也是人体肠 道中的常见菌，但是数目相对较少【７ Ｊ。与此形成对比的是，土壤（有机物质在土壤中被降解，因此土壤常被认 为是陆地生物圈的消化道）微生物区系中包括了来自２０多个门的细菌旧】。胃肠道中微生物在“门”分类水平 上表现出较低的多样性，一方面反映出宿主对胃肠道微生物组成及其功能的选择性压力，另一方面也可能是 由于与地球漫长的历史相比，人类进化史相对较短而造成的。 肠道中微生物组多样性是宿主选择性和共进化共同作用的结果。例如，在微生物分类学中，来自哺乳动 物胃肠道的ＣＦＢ细菌与来自共同祖先的细菌相距最远，表明这些微生物在进入哺乳动物胃肠道、与宿主形成 互生关系后，进化速度加快。而且，对ＧｅｎＢａｎｋ中相关序列进行比较，发现ＣＦＢ中的一些亚群主要分布在不
文章编号：１０００—０９３３（２００９）０５－２５８９—０６中圈分类号：Ｑ１６，Ｑ９３８，１１３３９．５文献标识码：Ａ
Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｇｕｔ ｍｉｃｒｏｆｌｏｒａ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｉｎｔｅｓｔｉｎｅ ｉｓ ｉｎｈａｂｉｔｅｄ ｂｙ ｎｕｍｅｒｏｕｓ ｍｉｃｒｏｂｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｆｏｒｍ
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肠道微生物对人体健康和疾病的影响一直是微生物学研究的重要领域之一。现在，试验生物学和生物信
息学的发展使得人们可以对下列问题开展系统的研究：肠道微生物的多样性，关键功能菌的基因组信息，微生 物之间的营养吸收和共享机制，肠道微生物群落的适应性以及这些微生物对人体健康的促进作用。本文综述 了人体肠道微生物多样性和功能研究方面的研究方法和进展，并提出了面临的一些挑战。 １人体肠道微生物多样性：１６Ｓ ｒＲＮＡ分析 早期的肠道微生物研究以微生物分离培养为基础。近年来，以细菌核糖体ＲＮＡ序列（１６Ｓ ｒＲＮＡ）分析为 基础的未培养微生物研究技术的发展大大拓展了肠道微生物研究的内容，通过对细菌分类和进化标记基因
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ａｎｄ ｍｅｔａｂｏｌｏｍｉｃ ｍｅｔｈｏｄｓ ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔｓ
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第２９卷第５期 ２００９年５月
生
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
态
学
报
Ｖ０１．２９，Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２００９
ＡＣＴＡ ＥＣＯＬＯＧｌＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
人体肠道微生物多样性和功能研究进展
刘开朗１，王加启１一，卜登攀１，赵圣国１’２
（１．中国农业科学院北京畜牧兽医研究所动物营养学国家重点实验室，北京１００１９３；２．甘肃农业大学，兰州７３００７０）
ｒＲＮＡ、１６Ｓ
ｒＲＮＡ和５Ｓ ｒＲＮＡ。其中，１６Ｓ ｒＲＮＡ的相对分子质量适中，较易
于进行序列测定的分析比较。目前，１６Ｓ ｒＲＮＡ／ｒＤＮＡ作为一个科学可靠的指标广泛用于微生物遗传特征和 分子差异研究Ｈ Ｊ。 在ＧｅｎＢａｎｋ收录的２０多万条微生物ｒＲＮＡ基因序列中，仅有１８２２条来自人体肠道，其中１６８９条属于未 培养微生物。虽然并不十分准确，但ｒＲＮＡ基因序列的相似性水平已经被广泛用作微生物分类的基础。以序 列相似性水平９７％作为定义微生物“属”的初步基础，多样性估计表明人体肠道内微生物种类约为８００多种， 而菌株类型（独特序列型）约为９７０００种Ｈ１。 Ｚｏｅｔｅｎｄａｌ等运用基于１６Ｓ ｒＲＮＡ的ＰＣＲ—ＤＧＧＥ（ｄｅｎａｔｕｒｉｎｇ